12. Вклад Г. Галилея в развитие естествознания.
В основе научных интересов Г.Галилея (1564-1642), который заложил довольно
прочную основу механического естествознания в учении о физике, находилась
проблема движения. Заложив основы классической динамики, Галилей, основоположник
современного экспериментально-теоретического естествознания, сформулировал
принцип относительности движения, идею инерции, закон свободного падения тел. Его
открытия в борьбе со схоластическими аристотелевско-птолемейскими традициями
обосновывали гелиоцентрическую систему Коперника.
Согласно Галилею в точке выхода познания находится чувственная практика, которая не
дает верных знаний об объекте познания. Человеческое чувство может достичь познания
посредством мысленного эксперимента, который опирается либо на реальное, либо на
математическое описание.
Галилей выдвигал 2 основных метода экспериментального исследования природы:
1. Аналитический метод, который дает возможность спрогнозировать чувственную
практику посредством математических способов, абстракций, идеализаций. Посредством
этого метода отбираются элементы, которые не поддаются напрямую чувственному
восприятию (например, мгновенная скорость), а также трудно описываемые явления.
2. Синтетически-дедуктивный метод, который дает возможность дать интерпретацию
явлений на основе количественных отношений и создать схемы теоретического
применения, которые подготавливаются в момент их объяснения.
Согласно Галилею достоверные знания о реальности реализуются в форме единства
синтетического и аналитического, чувственного и рационального в рамках пояснительной
теоретической схемы. Таким образом, отличительная особенность метода Галилея,
создание научной эмпирии, резко отличающейся от обыкновенной практики.
Способ мышления Галилея отталкивался от мысли о том, что без прямого участия ума
только посредством познавательных чувств невозможно достигнуть истинного познания
природы; для познания природы необходимы ум и сопровождаемые интеллектом
чувства. Намного позже, принимая во внимание принцип относительности, А.Энштейн и
Л.Инфельд писали: «Открытия Галилея и применяемый им метод научного наблюдения
был одним из самых больших достижений в истории человеческой мысли, которое
заложило начало физики. Эти открытия учат нас тому, что нельзя все время полагаться
только на интуитивные результаты, основанные на наблюдениях; другими словами
иногда несут на себе след неправды».
Преобразования Галилея – в классической механике (механике Ньютона)
преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы
отсчета (ИСО) к другой. Преобразования Галилея подразумевают одинаковость времени
во всех системах отсчета («абсолютное время») и выполнение принципа относительности
(принцип относительности Галилея).
Принцип относительности Галилея
Основным принципом, на котором базируется классическая механика является
принцип относительности, сформулированный на основе эмпирических наблюдений
Г. Галилеем. Согласно этому принципу существует бесконечно много систем
отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю
и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и
движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных
системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в
механических системах подчиняются одинаковым законам. Этот принцип можно также
сформулировать как отсутствие абсолютных систем отсчёта, то есть систем отсчёта,
каким-либо образом выделенных относительно других.

14. Классическая механика И. Ньютона. Границы ее
применимости.
Велик вклад Ньютона и в математику, и в оптику, однако, фундаментом классического
естествознания стала созданная им механика, которая не только навела порядок в
огромном эмпирическом материале, накопленном многими поколениями ученых, но
и дала в руки людей мощный инструмент однозначного предсказания будущего в
широкой области объектов и явлений природы.
Созданная Ньютоном классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме
обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось,
что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть
описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F = ma) и законом всемирного
тяготения (F = Gm1m2 / r2). И не только законы Кеплера, относящиеся к Солнечной
системе, оказались следствием законов Ньютона, но и все наблюдаемые человеком в
естественных условиях перемещения тел стали доступными аналитическому расчету.
МН описывает идеальные объекты, идеальные процесс; размещается в пустом пространстве, временная
шкала не связана с этим пространством. Матер точка – объект, обдающий массой, но не имеющий размера.
3 закона сохранения классич механики
Закон сохранения механич энергии
1. Закон сохранения импульса
2. Закон сохранения момента импульса
К середине XIX века авторитет классической механики возрос настолько, что она
стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений
природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для
механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное
мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять
ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и что надо только
определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее
многообразии. Это мировоззрение часто называют "детерминизмом Лапласа", в память
о великом французском ученом П-С. Лапласе, внесшем большой вклад в небесную
механику, физику и математику.
Однако, эта программа - сведение всех природных явлений к механическому движению
под действием сил - оказалась не реализованной, прежде всего, из-за проблем
с описанием световых, электрических и магнитных явлений. Во второй половине
XIX века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим
перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано
электромагнитное поле, наиболее полную теорию которого создал Дж.К. Максвелл.
Классическая механика основана на законах Ньютона, преобразовании скоростей
Галилея и существовании инерциальных систем отсчёта.
Границы применимости классической механики
В настоящее время известно три типа ситуаций, в которых классическая механика
перестаёт отражать реальность.
§
В частности, в сочетании с термодинамикой она порождает ряд противоречий
Свойства микромира не могут быть поняты в рамках классической механики.
(см.Классическая механика). Адекватным языком для описания свойств атомов
и субатомных частиц является квантовая механика. Подчеркнём, что переход от
классической к квантовой механике — это не просто замена уравнений движения,
а полная перестройка всей совокупности понятий (что такое физическая величина,
наблюдаемое, процесс измерения и т. д.)
При скоростях, близких к скорости света, классическая механика также перестаёт
§
работать, и необходимо переходить к специальной теории относительности. Опять
же, этот переход подразумевает полный пересмотр парадигмы, а не простое
видоизменение уравнений движения. Если же, пренебрегая новым взглядом на
реальность, попытаться всё же привести уравнение движения к виду F = ma, то
придётся вводить тензор масс, компоненты которого растут с ростом скорости. Эта
конструкция уже долгое время служит источником многочисленных заблуждений,
поэтому пользоваться ей не рекомендуется.
§
Классическая механика становится неэффективной при рассмотрении систем с
очень большим числом частиц (или же большим числом степеней свободы). В этом
случае практически целесообразно переходить к статистической физике.

16. Идеализированные представления о пространстве и времени
в классической механике. (Недокорректировано, приду и
доделаю )
Уже отмечалось, что своим авторитетом классическая наука обязана, прежде всего,
ньютоновской механике, которая не только "навела порядок" в огромном эмпирическом
материале, накопленном многими поколениями ученых, но и дала в руки людей
мощный инструмент однозначного предсказания будущего в широкой области объектов
и явлений природы.
следует отметить, что законы классической механики формулируются не для реальных,
а для идеальных объектов и ситуаций, которые разворачиваются в абсолютно пустом
пространстве и в абсолютно независимом от этого пространства времени. Однако самой
важной идеализацией в механике является материальная точка - объект, не имеющий
геометрических размеров, но, тем не менее, обладающий инертностью (массой).
Положение в пространстве таких объектов можно описать радиус-вектором r, конец
которого описывает непрерывную линию, называемую траекторией.
Так, производная радиус-вектора r называется в механике вектором скорости v =
rў. Этот вектор направлен по касательной к траектории и характеризует изменение
радиус-вектора как по длине (модулю), так и по направлению. Аналогично, ускорение
a = vў = rўў описывает изменение вектора скорости по модулю и по направлению.
Фундаментом классической механики является утверждение о том, что в инерциальных
системах отсчета1 ускорение а материальной точки с массой m определяется силой F,
характеризующей ее взаимодействие с другими материальными объектами
В уравнении (3.1) заключена вся классическая механика. С помощью этого уравнения
решается основная динамическая задача - определение траектории r(t) по заданным
силам F. Фактически речь идет о математической задаче, так как уравнение (3.1)
является обыкновенным дифференциальным уравнением 2-го порядка. Рассмотрим
простейший частный случай решения такого уравнения, когда F = const (движение в
однородном силовом поле). Обозначим g = F /m и тогда после первого интегрирования
уравнения (3.1) получаем
где C1 - произвольный постоянный вектор. Еще одно интегрирование приводит к
формуле для радиус-вектора
где С2 - другой произвольный вектор. Мы видим, что с помощью только уравнения
(3.1) можно получить целое "семейство" траекторий, соответствующих различным
векторам С1 и С2. Таким образом, чтобы определить, по какой конкретно траектории
будет двигаться материальная точка, одного уравнения (3.1) недостаточно.
Легко видеть, что векторы С1 и С2 на самом деле являются скоростью и радиус-
вектором материальной точки в начальный момент времени t = 0: С2 = r(0), С1 = v(0).
Значит, для определения траектории r(t) необходимо знать не только уравнение (3.1),
но также начальное положение и начальную скорость материальной точки:
Очевидно, начальный момент времени может быть выбран произвольно. Поэтому
мгновенное положение и мгновенная скорость полностью и однозначно определяет
траекторию движения материальной точки. В связи с этим говорят, что состояние
материальной точки полностью определяется ее положением и скоростью.
Таким образом, оказывается, что детерминизм ньютоновской механики вытекает из
возможности применения математического аппарата теории дифференциальных
уравнений. В свою очередь, эта возможность появляется благодаря использованию
таких "сильных" идеализаций, как материальная точка, инерциальная система отсчета
и т.п. Очевидно, что эти идеализации, не являющиеся объективной реальностью,
ma = F . (3.1)
v(t) = gt + C1,
r(t) = gt2 / 2 + C1t + C2,
r(t) = gt2 / 2 + v(0)t + r(0) . (3.2)
положение + скорость = состояние
вносят элемент субъективизма в самые основы теории. "Расплатой" за этот
субъективизм является ограниченность ньютоновской механики, которая проявляется,
например, в невозможности описания необратимых процессов.
Дело в том, что уравнение траектории (3.2) определяет не только "будущее" положение
материальной точки (t > 0), но и "прошлые" ее положения при t < 0 (вспомним, что
момент времени t = 0 был выбран нами совершенно произвольно). Если изменить
направление начальной скорости v(0) на противоположное -v(0), то материальная
точка будет двигаться "назад" по той же траектории, по которой она до этого момента
двигалась "вперед" (обращение времени t ® - t и обращение скорости v(0) ® - v(0)
приводят к одинаковому вкладу в формулу (3.2)).Таким образом, чтобы
двигаться "назад" по той же самой траектории материальная точка в какой-то момент
должна изменить свою скорость на противоположную, что, в принципе, не запрещено
никакими физическими законами. То же самое можно сказать и о множестве
материальных точек: ничто не мешает всем этим точкам двигаться в противоположных
направлениях по тем же траекториям, по которым они двигались ранее. А это значит,
что "прошлое" и "будущее" в поведении каждой материальной точки совершенно
симметричны и не имеют друг перед другом никаких преимуществ. Другими словами,
движение материальных точек по своим траекториям обратимо. Почему же тогда в
реальной жизни, которая в соответствии с концепцией детерминизма, должна сводиться
к поведению очень большого числа материальных точек, прошлое так заметно
отличается от будущего? Почему "реальное" время течет "в одну сторону", а процессы в
природе (например, человеческая жизнь) никогда не меняют своего направления на
противоположное? В чем природа "стрелы времени"? Ответить на все эти вопросы
ньютоновская механика не могла, и это в конце концов было воспринято как ее кризис.
С серьезными проблемами столкнулись ученые и при попытке применить
математический аппарат ньютоновской механики к описанию очень быстрых движений.
И в этом случае источником "неприятностей" стала математическая идеализация задачи
о движении, в соответствии с которой взаимодействие между отдельными
материальными точками определяется мгновенным расстоянием между ними, причем
неявно предполагается бесконечно большая скорость передачи информации об
изменении взаимного расположения этих точек. Решение этих проблем оказалось
возможным в рамках специальной и общей теории относительности, где вместо
классических представлений об абсолютном пространстве и абсолютном времени
используются релятивистские концепции единого 4-х мерного неевклидова
пространства-времени.
Наконец, применение ньютоновской механики оказалось совершенно невозможным для
описания движения в масштабах микромира (молекулы, атомы, элементарные частицы).
Отказ от основных классических идеализаций (материальная точка, траектория, сила и
др.) потребовал полной смены не только математического аппарата, но и самой
формулировки задачи о движении, которая из динамической превратилась в
статистическую.

18
Развитие представлений о природе тепловых явлений. Научные открытия и технические изобретения.
Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20—30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величавших открытий, сделанных на заре развития человечества.
История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.
Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем. Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать из одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела. Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.
Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании "наибольшей или последней степени холода", когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.
Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.
С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось получить столь важные для физики количественные связи между величинами. В частности, не удалось объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии еще не было введено в физику. Поэтому, вероятно, на основе корпускулярной теории не могли быть достигнуты в XVIII в. те немалые успехи в развитии теории тепловых явлений, какие дала простая и наглядная теория теплорода.
К концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. При трении можно получить любое количество теплоты: тем больше, чем более длительное время совершается операция трения. С другой стороны, при совершении работы паровыми машинами пар охлаждается и теплота исчезает.